基于特征成分的料香均匀性方法建立及评价*

杨乾栩，赵 蔚，谢志强，杨洪明，李 超，刘 欣，张 伟

(云南中烟工业有限责任公司 技术中心，云南 昆明 650231)

料香均匀性是指烟丝中所添加的料和香的分布均匀程度，是影响卷烟感官均匀性的关键指标。目前评价料、香均匀性的手段通常以丙二醇作为标记物，部分选取薄荷醇、柠檬黄、乙基麦芽酚等[1，2]。然而，这种选取单一特征指标的评价方式具有两方面的缺点：一是方法稳定性不够，单一指标往往会受较多因素的影响，使得其并非稳健指标；二是代表性不够，丙二醇作为料、香的重要添加剂，在料液和表香中均有较大含量，并非料或香的特征标记物，薄荷醇等通常只在表香中进行添加，底料配方中涉及较少，因此不具备较好的识别度[3]。目前虽然也发展了基于近红外光谱[4]、图像识别[5]等料、香均匀性检测方法，但推广性仍不广泛。

为进一步建立准确、灵敏、实用的料、香均匀性的分析评价方法，本文提出了基于料、香特征组分的均匀性评价方法。通过以某规格卷烟叶组烟丝为对象，对其单独加料和加香的样品进行了挥发性成分分析，采用权重分析方法(Weight Analysis)[6]和选择比例法(Selective Ratio，SR)[7]对加料和加香叶组烟丝样本进行变量筛选分析，以烟丝中没有且料香中含量差异较大的组分为筛选原则，确定对料、香样本具有较强区分度的特征标记物。结果表明，筛选的料香特征标记物可有效区分料、香，通过与常规料香均匀性评价组分丙二醇和薄荷醇对比，料、香特征标记物在评价料、香均匀性上具有较高准确性和灵敏度。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

原料：某规格卷烟叶组烟丝、正常料液、表香。试剂：二氯甲烷(HPLC级，美国MREDA公司)；D5-吡啶(纯度98%，加拿大TRC 公司)。

1.2 仪器与设备

Turbo vap Ⅱ浓缩氮吹仪(瑞典Biotage公司)；HY-8 型机械振荡器(常州国华电器有限公司)；7890B/5977A 气相色谱/质谱联用仪(美国Agilent公司)；HP-INNOWAX(30 m×0.32 mm×0.5 μm)毛细管色谱柱(美国Agilent公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 取样方法

分别在切丝、滚筒干燥、加香后3个工艺点取生丝、熟丝、加香烟丝样品。为保证取样量的均匀性和代表性，每个工艺点分别取9个样品，其中在每个工艺点的前端、中间和后端各取3个样品，每个样品的取样量不少于 100 g。

1.3.2 样品分析

样品前处理：称取 2 g 烟丝于锥形瓶中，加入 30 mL 二氯甲烷，振荡萃取 30 min，过滤烟丝后，萃取液经氮吹浓缩至 1 mL，加入内标物D5-吡啶(3.05 μg/mL)转移至色谱瓶中，进GC-MS进行分析。

GC-MS工作条件：色谱柱为HP-INNOWAX，进样口温度为 260 ℃，程序升温：初始温度 60 ℃，保持 2 min，以 2 ℃/min 升至 230 ℃，保持 30 min；载气为氦气，流量为 1 mL/min；进样量为 1 μL，不分流进样；电离源：EI，250 ℃；传输线温度 260 ℃。

1.3.3 标记物筛选

样品按照加料和加香不同分为两组，色谱图原始数据经Zscore[8]标准化处理后，分别采用Weight Analysis和SR分析方法筛选出对料液和表香区分度较大的潜在特征标记物。

1)Weight Analysis

Weight Analysis通过计算每个变量在两组间的方差权重，从而获得对两组区分能力较大的变量，详细算法可见文献。

2)SR分析法

SR分析法主要通过将原始变量投影后，获取变量的解释能力和残差值，根据二者之比，即可获得变量对分组的贡献能力即SR值，SR值越大则区分能力越强，详细介绍可参考文献。

1.3.4 料、香均匀性评价

对不同制丝工序上的每一个加料和加香样品，分别取前、中、后3个平行样品，分析样品中的标记物成分含量，并采用下述公式计算样品的料或香的均匀性，公式见下：

1.4 数据分析

标记物筛选采用Matlab r2016b完成，均匀性分析采用WPS表格完成。

2 结论与讨论

2.1 加料、加香烟丝样品的色谱分析

采用1.3.2的分析方法对加料后的烟丝样品进行分析。根据大量样本GC-MS定性分析结果，其中所加料液烟丝的成分主要包括糠醛、2-乙酰呋喃、薄荷醇、苯甲醛、5-甲基糠醛、丙二醇、糠醇、苯甲醇、5-羟甲基糠醛等，丙二醇是料液的通用溶剂。图1为加料、加香烟丝样品的分析色谱示例图。

图1 加料、加香烟丝样品的GC-MS色谱示例图

同样对加香后的烟丝样品进行定性分析。结果显示，对烟丝单独进行表香添加后，其GC-MS色谱检测到的成分主要包括薄荷醇、丙二醇、α-大马酮、苯甲醇、苯乙醇、2-乙酰吡咯、麦芽酚、巨豆三烯酮、乙基香兰素等，其中丙二醇也是表香的溶剂。

2.2 含料、香的烟丝样品标记物筛选

所考察样本色谱图原始数据经Zscore标准化处理后，采用Csimpls[9]进行分析，得分图如图2所示。可以看出，加料样品和加香样品可以通过两个潜在变量明显分成两类(LV1和LV2)，表明加料样品和加香样品在成分上具有显著差异，可通过变量筛选(Variable/Feature Selection)[10-12]的方法获得对料、香样品差异贡献较大的成分。

图3是对料、香样本的Weight Analysis和SR的分析结果，其中两种方法计算所得的权重值(Weight)及SR值越大，则表明对应保留时间的成分在料、香样本具有较大的差异，可能是区分料、香样品的标记物。结合二者分析结果来看，在74.42、90.90和 95.38 min 3个保留时间对应的成分在加料和加香样品具有较大含量差别。通过谱库查询，对74.42、90.90和 95.38 min 保留时间对应的成分进行定性，3种物质分别为棕榈酸甲酯、亚麻酸乙酯和二十四烷。

图2 色谱数据得分图

图3 料、香样本权重分析和选择比例分析结果

2.3 标记物含量差异及判别能力分析

图4是初步筛选的成分对应的峰面积在不同样品中的差别，其中0代表加香样品、1代表加料样品。在含量分布上，棕榈酸甲酯在料中含量分布略高，采用Mann-Whitney-Wilcoxon 非参数检验[13]表明，其在料和香中含量分布差异p值为0.1162，不具有统计学差异；亚麻酸乙酯在香样品中含量分布较高，在料和香中含量分布上具有极其显著的统计学差异(p=0.0000)；二十四烷在料样品中含量分布较高，在料和香中含量分布上具有极其显著的统计学差异(p=0.0000)。

同时本文也对丙二醇和薄荷酮在料、香样品中的含量分布进行了分析。薄荷醇在料中含量稍高，在料和香中含量分布差异p值为0.0143，具有统计学差异；丙二醇在香中分布含量较高，在料和香中含量分布上具有极其显著地统计学差异(p=0.0000)。

图4 所选标记物及薄荷醇、丙二醇在料、香样品中的含量分布

可以看出，所筛选的标记物除棕榈酸甲酯外，亚麻酸乙酯和二十四烷在料和香中含量分布具有极显著的差异，且含量分布差异强于丙二醇，可作为潜在的料香特征标记物成分。

从不同峰面积散点图可以看出(如图5所示)，所筛选确定的3个成分共同用于料香区分时可以明显区分加料和加香样品。并且在区分能力上，二十四烷可对加料和加香样品完全区分，识别正确率为100%；亚麻酸乙酯对料、香样品也有极强的区分能力，识别正确率达98.15%；棕榈酸甲酯对料香样品区分能力一般，识别正确率达52.78%；薄荷醇和丙二醇对料香样本区分能力一般，识别正确率分别为65.74%和83.30%。

图5 不同料香标记物组合料、香区分散点图

依据建立的检测方法，亚麻酸乙酯和二十四烷的保留时间都在 90 min 以后，化学性质较为相近，可建立合适的方法进行分离，且二者在料和香样品中含量分布刚好相反，因此选择亚麻酸乙酯和二十四烷作为料、香均匀性评价标记物。

2.4 料、香均匀性评价方法应用

图6反应了不同标记物在制丝段不同工序对应样品的检测结果。整体来看，所选标记物对不同工序料香均匀性的评价结果较一致，除个别离阈值外，加料、滚筒干燥和加香工序的料香均匀度整体上均可达0.8以上；薄荷醇和丙二醇对不同工序料香均匀度的评价结果较差，二者在不同工序上的料香均匀度评价存在较大波动。

图6 不同标记物在不同工序检测折线图

表1对比了所筛选确定的特征标记物成分与常规标记物丙二醇和薄荷醇的料香均匀性评价结果。其中采用亚麻酸乙酯和二十四烷成分评价，二者在不同阶段的评价结果较为一致，均表现为滚筒干燥工序料香均匀性最高，加料阶段其次，加香阶段最差。采用薄荷醇评价，加料工序料香均匀性最高，加香工序其次，滚筒干燥工序最差。而采用丙二醇评价，则呈现出加香工序料香均匀性最高，滚筒干燥工序其次，加料工序最差的结果。从不同工序料香均匀性的具体数值来看，亚麻酸乙酯和二十四烷对加料、滚筒干燥和加香工序的均匀性评价结果较为吻合，二者评价结果的皮尔森相似性达0.999，而薄荷醇和丙二醇的评价结果则相似性较差，仅有0.136。

表1 方法稳定性考察结果

对于制丝工序，加料、滚筒干燥、加香是依次进行的加工过程，其中料液是加料工序阶段添加，表香的添加则在加香工序阶段。从实际经验来看，滚筒干燥相对于加料工序经过进一步的混合，其料香均匀性要高于加料工序。而在加香工序，由于额外添加了表香，尚未经过充分制丝工艺的混合，因此其料香均匀性会有一定程度降低。

因此从上述分析结果来看，所筛选的亚麻酸乙酯和二十四烷针对不同制丝工序料香均匀性的评价结果与实际经验较为一致，而薄荷醇和丙二醇与实际经验均存在一定偏差，表明所筛选确定的标记物可以较好的表征料香在叶组烟丝中的分布均匀性。

3 结语

料、香均匀性评价是烟草行业较为重视的问题，现有研究所提及的均匀性评价方法在灵敏度、准确度和实用性上尚存在不足。本研究采用化学计量学变量筛选手段，筛选了料、香中的特有标记物，并首次以料、香特有标记物为切入点，建立了基于料、香标记物的均匀性评价方法。相比于常规丙二醇、薄荷醇作为评价标记物，所筛选确定的亚麻酸乙酯和二十四烷表现出较优的均匀性评价结果：一方面，亚麻酸乙酯和二十四烷特征标记物，二者在不同工序的均匀性评价结果，表现出较好的一致性和稳定性，另一方面，这两个特征标记物对不同工序的料、香均匀性评价结果，与实际生产认知更为吻合。因此，本文提出的采用料香特征标记物用于评价加料、加香样品分布均匀性的方法，为料香均匀性评价的标记物发现提供了新思路。